互连支撑的电解槽组件，预成品和制造方法.pdf

电解槽组件(10)包括至少一个电解池，其包括至少两个电极和插于其间的电解质(18)。电解槽组件还包括与两个电极中的至少一个或电解质(18)紧密接触的互连结构(12)。互连结构(12)包括至少一个最初由可去除的牺牲材料(110)限定的流动通道(24)，其中形成互连结构(12)为电极和电解质(18)提供支撑。

权利要求书
1、  一种电解槽组件(10)，包括
至少一个电解池，其包括至少两个电极和插于其间的电解质(18)；和
与所述至少两个电极中的至少一个或所述电解质(18)紧密接触的互连结构(12)，所述互连结构(12)包括至少一个最初由可移除的牺牲材料(11O)限定的流动通道(24)，其中将所述互连结构(12)构造为向所述电极和所述电解质(18)提供支撑。

2、  权利要求1的电解槽组件，其中所述电解质(18)具有使所述电解质(18)基本上是不透气的厚度。

3、  权利要求1的电解槽组件，其中所述至少两个电极包括阳极(16)和阴极(14)。

4、  权利要求1的电解槽组件，其中所述至少两个电极在大约80C至大约1000C之间是稳定的。

5、  根据权利要求3的电解槽组件，其中所述阳极(16)由选自掺杂的LaMnO3、Sr掺杂的LaMnO4(LSM)、锡掺杂的氧化铟(In2O3)、钙钛矿、锶掺杂的PrMnO3、LaFeO3-LaCoO3 RuO2-YSZ、镧辉钴矿及它们组合中的材料制造。

6、  权利要求3的电解槽组件，其中阴极(14)由选自Ni、Ni合金、Ag、Cu、贵金属、钴、钌、Ni-YSZ金属陶瓷、Cu-YSZ金属陶瓷、Ni-二氧化铈、金属陶瓷、陶瓷或它们组合中的材料制造。

7、  权利要求1的电解槽组件，其中所述电解池选自固体氧化物电解池、熔融碳酸盐电解池、磷酸电解池、碱性电解池、锌空气电解池和质子陶瓷电解池。

8、  权利要求1的电解槽组件，其中所述互连结构(12)以串联方式连接多个电解池。

9、  权利要求1的电解槽组件，其中所述牺牲材料(110)包括选自聚合物、盐、聚合物泡沫、可溶性材料、聚氨酯、石蜡和低密度泡沫聚合物中的材料。

10、  权利要求1的电解槽组件，其中所述牺牲材料(110)通过加热、化学蚀刻、烧蚀或溶解而去除。

说明书互连支撑的电解槽组件，预成品和制造方法
本申请是2002年6月11日提交的的序列号为No.10/166,909的申请的部分继续申请，在本文中引入原申请作为参考。
技术领域
本发明一般性地涉及电解槽，更具体地说涉及互连支撑的电解槽组件、预成品及制造方法。
背景技术
电解槽，例如固体氧化物电解槽，是具有许多潜在应用的电化学设备，这些应用包括为分布式或局部供应大规模造氢。关键的挑战之一是开发节省成本的方法来生产电极和电解质材料，特别是具有大表面积的电极和电解质材料。
过去，将阳极、阴极或电解质支撑的方法用于电解池制造。理想的是这些元件中的每个都是薄的，但是阳极、阴极或电解质一般均由基于陶瓷的易碎品(fragile based ceramics)制造。当然，在常规电池中，为了为电池制造提供支撑，至少一个元件必须是厚的。
因此，需要用于电解池制造的改进的支撑方法。
发明内容
一方面，电解槽组件包括至少一个电解池，该电解池包括至少两个电极和插于其间的电解质。该电解槽组件还包括与两个电极中的至少一个或电解质紧密接触的互连结构。该互连结构包括至少一个最初由可移除牺牲材料限定的流动通道，其中将该互连结构构造为为电极和电解质提供支撑。
另一方面，互连预成品包括互连支撑结构，其中将至少一个流动通道置于互连支撑结构中。将可移除的牺牲材料置于该流动通道内，从而为在其上沉积提供表面。
再一方面，电解槽组件包括至少一个电解池，该电解池包括至少两个电极和插于其间的电解质。该电解槽组件还包括具有与两个电极中的至少一个或电解质紧密接触的互连支撑结构的互连预成品，并包括至少一个置于互连支撑结构内的流动通道。将可移除的牺牲材料置于该流动通道内，从而为在其上沉积提供表面。
又一方面，一种形成电解槽组件的方法，包括提供其中具有至少一个流动通道的互连结构和将牺牲材料沉积到至少一个流动通道中。该方法还包括将至少一个电极和电解质材料沉积在互连结构和牺牲材料上，并处理电解槽组件以去除牺牲材料。
当参照附图阅读下面的详细说明时，可以更好的理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中，在整个附图中，相同字符表示相同部分，其中：
图1描述了说明一个重复单元的示范性电解池组件的透视图；
图2说明了示范性电解池的运转；
图3说明了示范性的管状电解池组件的示意图；
图4说明了示范性互连的侧视图；
图5说明了图4中示范性互连的侧视图，其中流体流动通道充满牺牲材料；
图6说明了示范性电解池组件的侧视图；
图7说明了图6中示范性电解池组件的侧视图，其中牺牲材料被去除；和
图8说明了描述制造互连支撑的电解槽组件的示范性方法的流程图。
电解池，例如固体氧化物电解池，是一种在通电时通过分解水产生氢气的设备。如图1所示，示范性的平面电解池10包括互连部分12，由电解质18隔开的一对电极即阴极14和阳极16。每个电解池10具有重复池单元20，其能够以串联、并联或串并联的方式堆叠在一起以形成电解池堆叠系统或能够产生一定量氢气的结构。
互连部分12定义为多个与阴极14紧密接触的水蒸气流或水蒸气和氢气通道24，和多个与相邻池重复单元20的阳极16紧密接触的氧气流动通道26。在操作的过程中，将水蒸气流30供应到水蒸气流动通道24中。
如图2所示，将水蒸气流30送入阴极14，并用来自外部提供的电源32的电子使其离解。在操作中，一且通过外源32施加电能，水蒸气就在阴极14的表面上被来自外部供电的电子离解。在此离解反应中，在阴极14的表面形成氢分子。同时，氧离子穿过电解质18移动至阳极16，并在阳极16的表面上与释放的电子形成氧分子。因此，水蒸气30离解而形成氢和氧产物，这些产物在过程中是分开的。由该方法产生的氢气具有高的纯度。在一些实施方案中，使用二次流体流从阳极16收集氧气。二次流体包括但不限于空气或氮气。在一些实施方案中，二次流体还可以包括反应性气体，包括但不限于一氧化碳(CO)。
在另一个实施方案中，如图3所示，示范性的管状电解池50包括内阴极管52，外阳极管54，和置于其间的电解质层56。将互连58放置在阴极管54上，并且与电解质层56紧密接触。每个管状电解池50都是这样的重复池单元，其能够以串联、并联或串并联的方式捆在一起以形成电解池束(bundle)或能够产生特定量氢气的结构。
在操作中，将水蒸气流60供应到内阴极管52中，并且在外阳极管52的外表面上产生氧气流62。水蒸气流60以与上面讨论相类似的方法离解。
堆叠或束中单个池的数量决定在电解池系统中产生氢气的能力。关键的挑战之一是开发节省成本的方法来制造阳极、阴极和电解质材料，每个都具有相对薄的横截面以减小电阻损失，具有大的表面积以使制造和组件的成本最小。
根据本技术地一个实施方案，互连支撑的平面电解池100如图4-7所示。
如图4所示，互连部分102限定了多个设置于互连部分102主体中的流体流动通道104。一部分流体流动通道104是水蒸气流动通道106，一部分流体流动通道104是氧气流动通道108。互连部分102的主要功能是电连接一个可重复池单元的阳极和相邻池单元的阴极。另外，互连部分102还应该提供均匀的电流分布，应该不透气，在还原和氧化环境中都稳定，并且在各种温度下足够导电以支持电子流动。互连部分102可以由许多具有这些性能的材料制造，包括但不限于薄形金属、不锈钢、LaCrO3、Inconel600、Inconel601、Hastelloy X和Hastelloy-230，其它稳定的金属和陶瓷及它们的组合。互连部分102的厚度一般在大约0.1mm至大约5mm之间，并优选在大约0.25mm至大约0.5mm之间。
为了支撑池制造，互连部分102必须为沉积、涂覆或以其它方式配置(在下文中指沉积)电极或电解质材料提供适当的表面。因此，如图5所示，至少一部分流体流动通道104充满牺牲材料110以在互连部分102上提供相对均匀、适于沉积的支撑面。牺牲材料110充满流体流动通道104并为沉积电极或电解质材料提供临时基材。对于池制造，使用互连部分102作为支撑结构提供了可以在互连部分102上逐层沉积的低成本、大面积制造机理。互连部分102可以具有这样的流体流动通道104，该流体流动通道具有均匀横截面或发散横截面、管状、矩形或其它金属可形成的几何图形。
牺牲材料110可以由任何可以为沉积电极或电解质材料提供临时基材的材料制造并可以在沉积过程完成之后用适当的方法去除。例如，牺牲材料110可以是聚合物、盐、聚合物泡沫、可溶性材料、聚氨酯、石蜡、低密度泡沫聚合物等。去除牺牲材料110的方法可以包括加热、化学蚀刻、烧蚀、溶解或任何适当的相应牺牲材料110的去除方法。
如图6所示，一般通过沉积或放置阳极片等将阳极层112置于互连部分102和牺牲材料110基底上。公认可以一开始就在互连部分102和牺牲材料110基材预成品上沉积或另外提供电极材料(阳极或阴极)或电解质材料或它们的组合。使用阳极层112作为第一层仅仅是为了举例。
阳极层112的主要用途是为在释放电子之后释放氧气提供反应场所。因此，阳极层116在氧化环境中必须是稳定的，在电解池操作条件下具有足够的电子电导率和表面积，并具有足够的孔隙率以允许气体输送。阳极层116可以由具有这些性能的许多材料制备，包括但不限于导电氧化物、钙钛矿、掺杂的LaMnO3、Sr掺杂的LaMnO4(LSM)、锡掺杂的氧化铟(In2O3)、锶掺杂的PrMnO3、LaFeO3-LaCoO3RuO2-YSZ、镧辉钴矿及它们的组合物。
如图6所示，电解质层114一般通过沉积置于阳极层112上。电解质层114的主要用途是在阳极层112与阴极层116之间传导离子。电解质层114将一个电极产生的离子运送到另一个电极以平衡电子流的电荷并在电解池100中形成电路。另外，电解质114隔开在电解池100中的产物气体。因此，电解质114必须在还原和氧化环境中都稳定，不渗透产物气体并在操作条件下足够导电。一般，电解质层114基本上是电绝缘的。电解质层114可以由具有这些性能的许多材料制造，包括但不限于ZrO2、YSZ、掺杂的二氧化铈、CeO2、三氧化二铋、烧绿石氧化物、掺杂的锆酸盐、钙钛矿氧化物材料及它们的组合物。
电解质层114一般具有这样的厚度，使得电解质基本上是不透气的。电解质层114的厚度一般小于50μm，优选在大约0.1μm厚至大约10μm之间，最优选在大约1μm厚至大约5μm厚之间。
如图6所示，阴极层116置于电解质114上以完成可重复池单元122。另外，阴极材料应该在水蒸气或水蒸气和氢气环境中稳定，具有足够的电子电导率、表面积并在电解池操作条件下对水蒸气离解有催化活性，并具有足够的孔隙率以使水蒸气输送至反应场所。阴极116可以由具有这些性能的许多材料制造，包括但不限于金属、镍(Ni)、Ni合金、镍(Ni)、Ni合金、银(Ag)、铜(Cu)、贵金属、金、铂、钯、铑和铱、钴、钌、Ni-氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)金属陶瓷、Cu-YSZ金属陶瓷、Ni-二氧化铈、金属陶瓷、陶瓷或它们的组合。
电极112和116一般具有足以支持电化学反应的表面积，例如在大约1m2/g至大约1000m2/g之间。电极112、114一般在大约80C至大约1000C之间、优选在大约300C至大约1000C之间是热稳定的。
如图7所示，处理电解池100以从氧气流动通道108中去除牺牲材料110，并打开流体流动通道104。
电解池100可以是任何类型的需要流动通道的电解池，包括但不限于固体氧化物电解池、熔融碳酸盐电解池、磷酸电解池、碱性电解池、再生电解池、锌空气电解池或质子陶瓷电解池。
图8是描述制造互连支撑的电解池如平面电解池100的示范性方法的流程图。
首先，放置用于沉积的互连部分(S1)。例如，互连部分可以由冲压的金属片如不锈钢等制造。接着，在互连部分的流体流动通道内沉积牺牲材料以为电极和电解质的逐层沉积提供基材(S2)。喷射、浇铸或其它方式施加牺牲材料(例如泡沫)以充满流体流动通道。采用必要的中间步骤以防止该牺牲材料与随后的电极或电解质材料的沉积相干扰。中间步骤的一个例子是在互连上放置基本平的板以覆盖流体流动通道。然后通过在互连支撑任一侧上的流体流动通道开口引入牺牲材料，并且充满通道直到泡沫材料完全充满通道并接触上板。然后从互连部分中去除该板，并可以完成下一层的沉积。中间步骤的另一个例子是向流体流动通道中引入牺牲材料直到通道完全充满或略微溢出。然后从互连上擦去任何残渣或溢出的牺牲材料以使基材平坦并为沉积提供平坦、干净的表面。
在下面的两步中，电极材料中的一种，在此示范性情况下是阳极材料沉积在互连牺牲材料基材上(S3)，并将电解质材料沉积在阳极材料上(S4)。随后，将阴极材料沉积在电解质材料上(S5)。最后，处理互连支撑的电解池以去除牺牲材料(S6)。
可以使用许多方法来在基材上沉积或以其它方式配置电极或电解质材料，包括但不限于溅射、溶胶凝胶、带式压延(tape calendering)、喷射汽相沉积、膨胀热等离子体沉积(档案号为120505、题目为“制造燃料电池的方法和以此制造的制品”的共同未决普通转让申请中更详细地讨论，在本文中引用该申请作为参考)、电泳沉积、等离子体增强的化学汽相沉积、CVD、PVD、大气等离子体喷射、真空等离子体喷射或它们的组合。
虽然已经说明并描述了本发明，但不意味局限于所示的细节，因为可以进行各种改变和替代而无论如何也不违背本发明的精神。同样，使用常规的实验就可以使本领域技术人员想到本文公开的本发明的进一步修改和等效替换，并且认为所有这些修改和等效替换是在如下面权利要求书中限定的本发明的精神和范围内。
元件列表：  10  电解槽组件  12  互连  14  阴极  16  阳极  18  电解质  20  重复单元  24  水蒸气的流动通道  26  氧气的流动通道  28  氧气流  30  水蒸气流  32  外电能源  50  管状电解槽组件  52  阴极管  54  阳极管  56  电解质  58  互连  60  水蒸气流  62  氧气流  100  电解槽组件  102  互连  104  流体通道  106  水蒸气通道  108  氧气通道  110  牺牲材料  112  阳极层  114  电解质  116  阴极层  122  重复单元